基于Pro-E與ADAMS的無碳小車S型路徑優(yōu)化

前言1.1課題研究背景及其意義隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的提升，無碳的理念也越來越被人們提上研究的課題。更潔凈、更環(huán)保、更節(jié)能、更高效的理念也深入人心。本小車是對“無碳”理念的探索與開發(fā)，對未來“無碳”的憧憬。小車構(gòu)思巧妙，在完成設(shè)計的要求下充分考慮了外觀和成本等問題，方便以后的擴(kuò)展和進(jìn)一步的開發(fā)。并能滿足大部分初高中及大學(xué)學(xué)生對機(jī)械知識實踐的實驗與了解。對激發(fā)青少年對機(jī)械構(gòu)造的熱情有深遠(yuǎn)的影響。全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽是公益性的大學(xué)生科技創(chuàng)新競技活動，是有較大影響力的國家級大學(xué)生科技創(chuàng)新競賽，是教育部、財政部資助的大學(xué)生競賽項目，目的是加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)，提高本科教育水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。為開辦此項競賽，經(jīng)教育部高等教育司批準(zhǔn)，專門成立了全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽組織委員會和專家委員會。競賽組委會秘書處設(shè)在大連理工大學(xué)。每兩年一屆。全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽秉承“競賽為人才培養(yǎng)服務(wù)，競賽為教育質(zhì)量助力，競賽為創(chuàng)新教育引路”的宗旨。競賽活動面向全國各類本科院校在校大學(xué)生，實行校、?。ɑ蚨嗍÷?lián)合形成的區(qū)域）、全國三級競賽制度。省級競賽或區(qū)域競賽的優(yōu)勝者，經(jīng)省或區(qū)域教育廳核準(zhǔn)，報名推薦參加全國決賽。競賽性質(zhì)：這是一項面向全國在校本科生開展科技創(chuàng)新工程實踐活動的全國性大賽。競賽宗旨：競賽為人才培養(yǎng)服務(wù)，競賽為教育質(zhì)量助力，競賽為創(chuàng)業(yè)就業(yè)引路。競賽方針：基于理論、注重創(chuàng)新，突出能力，強(qiáng)化實踐。大賽的指導(dǎo)思想是“重在實踐，鼓勵創(chuàng)新，突出綜合，強(qiáng)調(diào)能力”，以提高大學(xué)生的實踐動手能力、科技創(chuàng)新能力和團(tuán)隊精神。圖1.1第三屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽1.2第三屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題1.2.1本屆競賽主題：本屆競賽主題為“無碳小車越障競賽”。要求經(jīng)過一定的前期準(zhǔn)備后，在比賽現(xiàn)場完成一套符合本命題要求的可運行裝置，并進(jìn)行現(xiàn)場競爭性運行考核。每個參賽作品要提交相關(guān)的設(shè)計、工藝、成本分析和工程管理4項報告。1.2.2競賽命題：以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車設(shè)計一種小車，驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換來的。給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（￠50×65mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差500±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意圖。圖1.2無碳小車示意圖要求小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來源。要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，小車要求采用三輪結(jié)構(gòu)（1個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪）如圖1.2所示，具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由參賽者自主設(shè)計完成。要求滿足：轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于￠30mm。1.2.3競賽項目：競賽小車在前行時能夠自動交錯繞過賽道上設(shè)置的障礙物。障礙物為直徑20mm、高200mm的多個圓棒，沿直線等距離擺放。小車有效的繞障方法為：小車從賽道一側(cè)越過一個障礙后，整體穿過賽道中線且障礙物不被撞倒（擦碰障礙，但沒碰倒者，視為通過）；重復(fù)上述動作，直至小車停止。小車有效的運行距離為：停止時小車距出發(fā)線最遠(yuǎn)端與出發(fā)線之間的垂直距離。測量此距離，每米得2分，測量讀數(shù)精確到毫米；每繞過一個障礙得8分（以小車整體越過賽道中線為準(zhǔn)），一次繞過2個或2個以上障礙時只算1個；多次繞過同1個障礙時只算1次，障礙物被撞倒不得分；障礙物未倒，但被完全推出定位圓區(qū)域（￠20mm）也不得分。以小車前行的距離和成功繞障數(shù)量來綜合評定成績。見圖1-3。圖1.3無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖1.3小車的設(shè)計方法本設(shè)計充分利用了Pro/E軟件的強(qiáng)大的建模功能結(jié)合Adams軟件的強(qiáng)大的仿真分析的功能，對無碳小車的設(shè)計以及路徑分析、優(yōu)化進(jìn)行了技術(shù)上的拓展，應(yīng)用上的結(jié)合，以及一種有前途的探索。設(shè)計中先對無碳小車進(jìn)行初步設(shè)計，然后在Pro/E軟件中進(jìn)行零件的建模，構(gòu)件的裝配，添加運動副自由度的約束，添加合理的機(jī)構(gòu)，合理的驅(qū)動力，對小車進(jìn)行運動學(xué)仿真（以表明設(shè)計的小車是可行的，是不存在構(gòu)件之間干涉情況的），然后將裝配完成的模型備份保存，然后以合理的格式導(dǎo)入Adams軟件中，進(jìn)行一系列的基本操作，對構(gòu)件屬性進(jìn)行定義，顏色進(jìn)行修改，對構(gòu)件之間的連接進(jìn)行合理的約束，添加合理的驅(qū)動力，與地面之間建立約束，添加重力，地面接觸以及接觸摩擦，對小車進(jìn)行動力學(xué)的仿真，標(biāo)記軌跡，并對其路徑進(jìn)行優(yōu)化分析，動畫效果導(dǎo)出視頻。經(jīng)過Adams對機(jī)構(gòu)的分析，更改路徑，優(yōu)化效果。本次設(shè)計是Adams中對無碳小車進(jìn)行優(yōu)化分析的首次嘗試。一方面為以后的無碳小車路徑問題提供了方便有效地分析改進(jìn)，優(yōu)化設(shè)計的方向和方法；另一方面本次設(shè)計僅是對本次設(shè)計的題目（重點是Adams中小車的路徑優(yōu)化）相關(guān)的操作自學(xué)自改，并未對Adams軟件進(jìn)行過全面的的了解，所以就此而言，還需要后來之秀的研究者以此為基礎(chǔ)進(jìn)行更加全面以及有效的深入探索。2.小車的理論方案設(shè)及其概述根據(jù)小車功能要求我們根據(jù)機(jī)器的構(gòu)成（原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分）把小車分為車架、原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)五個模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計，通過綜合實用對比選擇出最優(yōu)的方案組合。2.1車架設(shè)計2.1.1車架外形尺寸設(shè)計通過比賽命題規(guī)則可知，用于提供小車重力勢能的重物需同小車一起運動，重物直徑為50mm，所以小車的車身寬度應(yīng)大于50mm，由圖1.1所示的小車行走示意圖可知小車的外形尺寸越小，小車越容易實現(xiàn)繞樁行走，所以小車的車身寬度D應(yīng)盡可能?。―>50mm）,同時考慮小車的行走的平穩(wěn)性，不應(yīng)使車身寬度過小，綜上所述擬定小車車身寬度為150mm。2.1.2車架結(jié)構(gòu)形式的選擇及其車架三維圖車架結(jié)構(gòu)形式分為整體式和拆裝式，考慮到整體切割式加工成本較高，本設(shè)計中車架擬采用角鋁進(jìn)行拼裝車身，這種結(jié)構(gòu)不僅使得加工難度和成本大大降低，也使得車身具有了可調(diào)性，在調(diào)整其中一個尺寸是不需要全部更換而只需要更換需要調(diào)整尺寸的某一根角鋁，大大降低了成本同時也提高了效率。由于角鋁自身有厚度，在裝配中需要考慮厚度，所以建立車架的三維模型也就顯得比較重要了，同時也是為了下文的整車仿真做準(zhǔn)備。如圖2.2所示為車架三維模型圖。圖2.1車架三維模型2.2小車行走軌跡設(shè)計2.2.1小車行走軌跡確定由圖1.1所示的小車行走示意圖可知，障礙物為等距離放置，距離為1米，所以要使小車順利通過障礙物，應(yīng)使小車的行走軌跡為正余弦曲線，同時可以看出決定小車能否順利通過障礙物主要取決與下面兩個因素。(1)：正余弦曲線的周期T(2)：正余弦曲線的振幅A綜合考慮障礙物放置情況和上文確定的小車車身寬度，擬采用式2.1的正弦曲線作為小車的理論行走軌跡。 （2.1）2.2.2處理行走軌跡的繪制由于小車行走軌跡曲線的長度決定著小車傳動系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計，所以必須要知道小車行走軌跡曲線的長度。由于三維制圖軟件pro/e有強(qiáng)大的繪圖功能與測量功能，且在后期的仿真過程中仍要利用該軌跡曲線所以本設(shè)計用pro/e進(jìn)行軌跡曲線的繪制與測量。(1)pro/e曲線繪制在pro/e中新建一個.prt,在操作面板中點擊創(chuàng)建曲線按鈕，選基準(zhǔn)曲線工具——從方程——選坐標(biāo)系——選擇坐標(biāo)系類型——輸入方程即可。注意方程要是參數(shù)方程使用通過方程建立。曲線在方程輸入框中輸入表達(dá)式2.2生成式2.1的正弦曲線如圖2.3所示 （2.2）圖2.3小車行走軌跡圖(2)pro/e曲線測量在pro/e工具欄中使用分析中的測量工具可以側(cè)得曲線半個周期之間的距離為1000mm，與賽事要求的兩個樁之間的距離吻合，振幅A=250mm,曲線長度S=2275.64mm測量結(jié)果圖2.4所示。圖2.4測量圖2.3原動機(jī)構(gòu)設(shè)計驅(qū)動行走的動能是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由重塊的重力勢能轉(zhuǎn)換來的，繩子的拉力作為動力，將物體下落產(chǎn)生的動能盡可能轉(zhuǎn)化成小車的動能，進(jìn)而克服阻力做功，并且盡可能使小車勻速運動。小車對原動機(jī)構(gòu)還有其他具體要求：（1）驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。（2）到達(dá)終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。（3）由于不同的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地小車是需要的動力也不一樣。在調(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。綜合考慮以上因素，可以使用滑輪繩索機(jī)構(gòu)作為原動機(jī)構(gòu)，為保證重塊平穩(wěn)下落，可以采用多根繩索牽引來保證。驅(qū)動軸使用錐軸，以適應(yīng)不同場地需要，調(diào)整驅(qū)動力。同時選擇驅(qū)動軸作為主動軸，由于比賽規(guī)定的重物下落高度只有500mm，也就說繞在主動軸上的繩子的周長只有500mm，假設(shè)驅(qū)動繩索繞在后輪軸上則有式2-3：（2-3）式中n為小車整個行走過程中所走過的總的周期數(shù)（一個周期內(nèi)小車可繞過兩個樁），i為傳動比i=5（下文有確定依據(jù)），為繞在主動軸上繩子周長，為后輪軸的直徑。則將、代如式2-1可得與的關(guān)系如表2.1所示。表2.1n與d的關(guān)系n321611865d123456由表可知要想使小車?yán)@過多的障礙物勢必會使后輪軸過細(xì)從而削弱軸的強(qiáng)度，同時也減小了啟動力矩不利于小車啟動，故不能選擇后輪軸做主動軸，而只能選轉(zhuǎn)向軸作為主動軸，因為選轉(zhuǎn)向軸做主動軸時有式2.4成立：（2.4）由式2.4可知在同的軸徑下如果選擇轉(zhuǎn)向軸作為主動軸的話小車的前進(jìn)距離可以增加5倍，故選擇轉(zhuǎn)向軸作為主動軸且可知軸徑5mm。圖2.5錐形軸2.4傳動系統(tǒng)設(shè)計概述2.4.1轉(zhuǎn)動方案的確定傳動機(jī)構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。齒輪傳動具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定。所以選用齒輪傳動。2.4.2傳動比的確定由上文可知若小車按式2.1的正弦曲線行走，則在一個行程內(nèi)（小車?yán)@過兩個樁）小車走過的路程S=2279.64mm，由圖2.2所示在一個行程內(nèi)小車完成一次轉(zhuǎn)向，故有式2.5成立。（2.5）式中s為小車一個行程內(nèi)的走過的路程，=3.14，為傳動機(jī)構(gòu)的傳動比，d為后輪直徑。將s=2279.64mm,=3.14代入式2.5可得傳動比與后輪直徑d的關(guān)系，如表2.2所示表2.2：傳動比與后輪直徑d的關(guān)系11.522.533.544.556d726484363290242207181161145121經(jīng)分析比較，=5時，d=145mm,滿足采用一級變速，傳動比較小，后輪直徑也比較適中，重心較低的要求。確定傳動比選為5后輪直徑選擇145mm，2.4.3齒輪參數(shù)確定采用小模數(shù)齒輪，增加齒數(shù)，增大齒輪嚙合重合度，可提高傳動精度，彌補(bǔ)齒輪制造精度差。因此選擇齒輪模數(shù)為1，大齒輪Z1=100，小齒輪Z2=20,中心距為60mm。圖2.6小齒輪圖2.7大齒輪2.5轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計2.5.1轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)介紹轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。偏心輪機(jī)構(gòu)是一種演化機(jī)構(gòu)，其中可以將四桿機(jī)構(gòu)中的連架桿演化成為偏心輪，與四桿機(jī)構(gòu)作用一樣，而凸輪式偏心輪機(jī)構(gòu)則是凸輪機(jī)構(gòu)的一種特殊情況，在實現(xiàn)簡單往復(fù)運動時有很多好處。由機(jī)械原理知識可知，凸輪的從動件形式有三種分別為尖頂、滾子，平底三種形式，其中由于平底從動件的壓力角始終為零，傳動性能最好，所以下文只對平底偏心輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。如圖2.8所示其中偏心輪半徑為R,偏心距為e，轉(zhuǎn)角，為偏心輪角速度，t為時間，由圖2.8可知偏心輪從起始位置A運動到B時有：其中偏心輪半徑為R,偏心距為e，轉(zhuǎn)角φ=ω×t，ω為偏心輪角速度，t為時間，由圖2.5可知偏心輪從起始位置A運動到B時有：S0=R-e（2.6）SH=R-e×cosφ（2.7）即從動件位移：S=-S0=e(1-cosω×t)（2.8）將式2.8對t求導(dǎo)得速度V：V=eωsinω×t（2.9）將式2.9對t求導(dǎo)得加速度a：a=eω2cosω×t（2.10）圖2.8偏心輪結(jié)構(gòu)圖2.9(a),(b),(c)分別表示了、、圖。因其加速度變化為余弦曲線，故稱其為余弦曲線變化加速度運動或稱簡諧運動。(a)(b)(c)圖2.9偏心輪機(jī)構(gòu)運動特性圖當(dāng)或時，加速度的絕對值達(dá)最大值。從圖可以明顯看出平底從動件在運動起始位置時加速度有有限突變，可能有柔性沖擊產(chǎn)生，但在其余中間位置時，加速度變化平滑，均處于良好狀態(tài)。此外，由于平底從動件和凸輪間壓力角恒等于零，在不考慮摩擦力的情況下，其相互問作用力始終垂直于底面，因而受力均勻。通過以上對對心移動從動件偏心輪凸輪機(jī)構(gòu)運動的分析可以看到，偏心輪實際上是以S為節(jié)圓半徑的升回程曲線對稱且連續(xù)無空程的凸輪。因其加工簡單，因而易于達(dá)到很高的精度。對心從動的偏心輪凸輪機(jī)構(gòu)具有良好的運動特性，可用于只要求從動件具有一定行程的場合。2.5.2轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的選擇通過對三種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的分析可知單純的四桿機(jī)構(gòu)由于其算法繁瑣，只能近似符合運動規(guī)律，同時考慮到小車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為空間結(jié)構(gòu)，勢必要用到空間較鏈結(jié)構(gòu)使得軌跡確定成為一個困難，同時也加大了加工的難度，而使用傳統(tǒng)的凸輪結(jié)構(gòu)的話給加工帶來了很大的成本，所以這兩種結(jié)構(gòu)都不能選，而對于本設(shè)計（只要求小車能往復(fù)運動就行）如果采用偏心輪結(jié)構(gòu)則可以很好的克服以上兩種機(jī)構(gòu)的缺點，由于偏心輪的輪廓線圓形輪廓，使用車床就可以加工使得加工成本大大降低，同時偏心輪機(jī)構(gòu)又具備凸輪的性質(zhì)可以很精確的實現(xiàn)小車前叉往復(fù)運動故本設(shè)計擬采用偏心輪結(jié)構(gòu)作為小車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而采用偏心輪結(jié)構(gòu)也體現(xiàn)了大賽創(chuàng)新設(shè)計宗旨。2.5.3偏心輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(1)理論概述由機(jī)械原理知識可知凸輪結(jié)構(gòu)的封閉形式有兩種，一種為力封閉式，這種凸輪結(jié)構(gòu)主要通過彈簧彈力或者是重力來保持推桿與凸輪接觸，另一種是形封閉凸輪，這種凸輪結(jié)構(gòu)主要利用特殊的凸輪結(jié)構(gòu)或推桿結(jié)構(gòu)來保持推桿與凸輪接觸，這兩種中形式中由于力封閉凸輪工作不可靠同時效率比較低，故本設(shè)計擬采用形封閉偏心輪式凸輪結(jié)構(gòu)，采用共軛凸輪的結(jié)構(gòu)利用兩個凸輪來控制小車前叉的往復(fù)運動（圖2.10）。圖中兩偏心輪為相差180度布置，其中為前輪轉(zhuǎn)角，D為推桿中心距，H為推程，當(dāng)左面凸輪在推程階段的時候，右面凸輪則正好處于回程階段，從而實現(xiàn)小車前叉的往復(fù)運動。圖2.10偏心輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(2)偏心輪設(shè)計分析比賽命題可知只要使小車的前叉轉(zhuǎn)角可以從連續(xù)變化到最大角度，小車就可實現(xiàn)類似正弦曲線的運動規(guī)律，而經(jīng)過對偏心輪結(jié)構(gòu)的分析，只要找到最大轉(zhuǎn)角就可以設(shè)計偏心輪了。對式2.1求導(dǎo)得小車在每個位置的正切值大小為：（2.13）由式2.13可得車身的最大轉(zhuǎn)角為,由于小車在行進(jìn)過程中前輪與后輪存在距離，其車身轉(zhuǎn)角理論上不等于前叉轉(zhuǎn)角，但是兩個角度之間應(yīng)該存在一定的比例關(guān)系，故本設(shè)計先假設(shè)小車轉(zhuǎn)角與前叉轉(zhuǎn)角相同，來設(shè)計小車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在通過pro/e與Adams聯(lián)合仿真來找到前叉轉(zhuǎn)角與車身轉(zhuǎn)角的關(guān)系，從而設(shè)計出符合小車運行軌跡的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由圖2.1可知偏心輪推程滿足關(guān)系式：（2.15）由式2.15可知推程H與推桿距D成比，也就是說推桿距D越小越有利于減小偏心輪結(jié)構(gòu)，同時D也不能太小因為隨著D的減小施加在前叉上的力矩就會減小使得轉(zhuǎn)向困難，綜合以上原因，選擇推桿中心距D=35mm。則根據(jù)式2.15可得推程H=54.7，同時也可以借助pro/e強(qiáng)大參數(shù)化繪圖功能來快速計算推程如圖2-10所示該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可簡化為該圖。在圖2.18中鎖定推桿直徑，建立推桿與中心軸線垂直約束，以后只要改前叉的轉(zhuǎn)角就可快速的得到推程，提高了設(shè)計的效率。圖2.18是前叉最大轉(zhuǎn)角為的情況。圖2.11偏心輪設(shè)計圖在推程知道的情況下就可以開始設(shè)計偏心輪的輪廓曲線了，同樣在偏心輪的輪廓設(shè)計中仍然借助pro/e強(qiáng)大的繪圖約束功能進(jìn)行偏心輪的輪廓設(shè)計，圖2-11為在pro/e中建立的偏心輪輪廓曲線其中偏心輪基圓半徑為5mm（轉(zhuǎn)向軸的直徑取為5mm）通過建立約速得到偏心輪的偏心距e=27.35外輪廓半徑R=32.25，最后生成的pro/e三維模型如圖2.20所示圖2.20偏心輪示意圖圖2.21偏心輪三維圖2.6行走機(jī)構(gòu)設(shè)計行走機(jī)構(gòu)即為三個輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。

由摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為

M=N×μ（2.20）對于相同的材料μ為一定值。

而滾動摩擦阻力f=M/R=Nμ/R，所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。

由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會產(chǎn)生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動，單輪驅(qū)動。雙輪同步驅(qū)動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠(yuǎn)比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進(jìn)受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。

雙輪差速驅(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)動出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現(xiàn)差速。差速器涉及到最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運動。單向軸承實現(xiàn)差速的原理是但其中一個輪子速度較大時便成為從動輪，速度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運動不準(zhǔn)確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。

單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為導(dǎo)向輪，另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪與驅(qū)動輪間的差速依靠與地面的運動約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，傳動精度比利用單向軸承高。

從簡單易行及大賽要求考慮，本設(shè)計采用雙輪同步驅(qū)動。為減輕重量，后輪采用輪輻式車輪，由于前輪較小，前輪采用整體式車輪。2.7無碳小車整體方案確定通過前文的論述我們得到了無碳小車車架、原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計方案以及具體的設(shè)計參數(shù)，如表2.3所示表2.3：無碳小車設(shè)計方案及參數(shù)無碳小車方案確定車架車架結(jié)構(gòu)采用角鋁拼接的形式，如圖2.2的形式，車身寬度為150mm原動機(jī)構(gòu)主動軸選擇轉(zhuǎn)向軸，主動軸設(shè)計為錐形軸，傳動原理如圖2.6傳動機(jī)構(gòu)選擇齒輪傳動，傳動比為5，齒輪模數(shù)為1mm，大齒輪齒數(shù)為20，小齒輪齒數(shù)為100轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用偏心輪結(jié)構(gòu)實現(xiàn)如圖2.17所示，其中偏心輪基圓徑r0為5mm、偏心距e=27.35、外輪廓半徑R=32.25推桿采用平底推桿推桿長為168mm。行走機(jī)構(gòu)后輪采用輪輻式車輪如圖2.21所示，其中后輪直徑為145mm，前輪采用整體式車輪如圖2.22所示，其中前輪直徑為35mm。3.用Pro/Engineer進(jìn)行建模造型及其仿真分析3.1Pro/Engineer操作軟件的簡介Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一。Pro/E第一個提出了參數(shù)化設(shè)計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。1．參數(shù)化設(shè)計相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。2．基于特征建模Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。3．單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)）Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。這一優(yōu)點，使得設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。3.2小車零部件的模型以及裝配上文中已經(jīng)概述了Pro/Enginer了它強(qiáng)大的功能以及多封面的的用途，在這次設(shè)計中主要用到了零部件的繪制，裝配，以及運動分析。限于篇幅這里只對裝配時添加運動副做出說明以及運動分析加以解釋。3.2.1原動機(jī)構(gòu)的裝配原動機(jī)構(gòu)采用滑輪繩索機(jī)構(gòu)，具體包括重物、滑輪、繩索、錐軸。由于零件尺寸要求不嚴(yán)格，因此這里不再說明零件具體尺寸（可以在pro/e中測量后附模型壓縮包），在pro/e中提供了銷釘副（）來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動副的功能，提供滑動桿（）來實現(xiàn)移動副的功能，同時也提供了剛性（）約束來實現(xiàn)固定的連接，其中銷釘副需要一條旋轉(zhuǎn)中心線和一個對齊平面來確定，滑動桿需要一個移動中心線和一個移動對齊平面來確定，而剛性約束需要任意的點、線、面均可確定（不能過多約束），在圖3.1中轉(zhuǎn)向軸通過使用軸的中心線與軸的中間平面來確定銷釘副實現(xiàn)轉(zhuǎn)向軸相對有車體的轉(zhuǎn)動，而齒輪與偏心輪則通過剛性連接與轉(zhuǎn)向軸形成固定約束，重物則通過重物的回轉(zhuǎn)軸線與過軸心的平面建立移動副實現(xiàn)重物相對于小車的移動，而車架則使用固定的約束是車架變成了不可動的機(jī)架以方便后期的運動仿真。圖3.1裝配圖3.2.2傳動機(jī)構(gòu)的裝配設(shè)計分析轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的工作原理可知，傳動機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)向軸（大齒輪、偏心輪）、后輪軸（小齒輪、后輪）、以及支撐傳動機(jī)構(gòu)的車架組成，其中轉(zhuǎn)向軸通過銷釘副來實現(xiàn)相對于車架的轉(zhuǎn)動，后輪軸亦然，而轉(zhuǎn)向軸與后輪軸之間的傳動則通過齒輪傳動，pro/e中提供了齒輪副（）來實現(xiàn)這一功能，上文以說明了銷釘副的定義方法這種主要介紹齒輪副的定義過程。單擊齒輪副按鈕彈出如圖3.5所示的齒輪副定義對話框運動軸一選擇上文定義好的后輪軸，節(jié)圓直徑輸入20，運動軸二選擇上文定義好的轉(zhuǎn)向軸，節(jié)圓直徑輸入100，單擊確定完成齒輪副的定義如圖圖3.3齒輪副 圖3.2齒輪副定義對話框圖3.2.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的裝配概述分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理可知轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向軸（大齒輪、偏心輪）、推桿、前叉，其中偏心輪與推桿之間通過凸輪副實現(xiàn)相對運動、推桿可通過滑動桿連接來實現(xiàn)相對于車身的往復(fù)移動，通過銷釘副與滑動桿連接來實現(xiàn)推桿相對于前叉的移動與轉(zhuǎn)動，各運動副的定義在上文已有論述這里不在陳述定義好的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖3.7所示。圖3.4轉(zhuǎn)向裝配示意圖3.2.4整車裝配設(shè)計將以上幾個模塊組合在一塊之后就可以得到如圖3.8所示的整車三維裝配圖其中400的載荷采用剛性連接固定與小車底部。表3.1為小車各零件之間的約束關(guān)系。圖3.5小車裝配示意圖表3.1：無碳小車pro/e模型約束關(guān)系表無碳小車模塊名稱零件1零件2約束關(guān)系車身車架軸承座固定連（剛性連接：）400g載荷滑輪軸原動機(jī)構(gòu)滑輪軸滑輪轉(zhuǎn)動副（銷釘:）車架重物移動副（滑動桿;）傳動機(jī)構(gòu)小齒輪大齒輪齒輪副（齒輪副：i=5）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)軸承座轉(zhuǎn)向錐軸轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)向錐軸兩偏心輪固定連接，成1800裝配轉(zhuǎn)向錐軸大齒輪固定連接偏心輪推桿凸輪副（）推桿前叉移動副+轉(zhuǎn)動副行走機(jī)構(gòu)后輪軸軸承座轉(zhuǎn)動副后輪軸后輪固定連接前叉軸承座轉(zhuǎn)動副前叉前輪軸固定連接前輪軸前輪轉(zhuǎn)動副由于pro/e不能對小車的車輪添加滾動摩擦力，故需將pro/e中建好的模型導(dǎo)入Adams中分析，這也就決定了需要先在pro/e中驗證模型的正確性，故需提前對小車模型在pro/e中進(jìn)行運動學(xué)仿真，來驗證小車有沒有運動干涉，有沒有過約束，驗證設(shè)計的偏心輪的推程是否符合理論的推程，推桿軌跡是否失真等。圖3.6定義過程圖3.7添加伺服電機(jī)示意圖1圖3.8添加伺服電機(jī)示意圖2圖3.9仿真最后對偏心輪的位移、速度、加速度進(jìn)行測量，點擊測量按鈕，創(chuàng)建新測量，分別添加位置、速度和加速度的測量。測量結(jié)果如圖3.10圖3.10分析圖像分析圖3.15三條曲線可知設(shè)計的偏心輪可實現(xiàn)不間斷的往復(fù)運動，觀察t-s曲線可知其推程為H=54.7=2e，e為偏心距符合設(shè)計要求，觀察t-a曲線可知該偏心輪沒有速度突變無剛性沖擊，通過上述分析證明該模型符合設(shè)計要求可以導(dǎo)入Adams中進(jìn)行動力學(xué)仿真以找到小車的真實軌跡。

4基于ADAMS的無碳小車動力學(xué)仿真4.1ADAMS的簡介及其功能ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)，該軟件是美國MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計資料，ADAMS軟件銷售總額近八千萬美元、占據(jù)了51%的份額，現(xiàn)已經(jīng)并入美國MSC公司。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺。ADAMS軟件有兩種操作系統(tǒng)的版本：UNIX版和WindowsNT/2000版。在這里將以Windows2000版的ADAMSl2.0為藍(lán)本進(jìn)行介紹。軟件模塊ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進(jìn)行快速有效的建模與仿真分析。ADAMS/View是ADAMS系列產(chǎn)品的核心模塊之一,采用以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境,將圖標(biāo)操作,菜單操作,鼠標(biāo)點擊操作與交互式圖形建模,仿真計算,動畫顯示,優(yōu)化設(shè)計,X-Y曲線圖處理,結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起.ADAMS/View采用簡單的分層方式完成建模工作.采用Parasolid內(nèi)核進(jìn)行實體建模,并提供了豐富的零件幾何圖形庫,約束庫和力/力矩庫,并且支持布爾運算,支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函數(shù).除此之外,還提供了豐富的位移函數(shù),速度函數(shù),加速度函數(shù),接觸函數(shù),樣條函數(shù),力/力矩函數(shù),合力/力矩函數(shù),數(shù)據(jù)元函數(shù),若干用戶子程序函數(shù)以及常量和變量等.自9.0版后,ADAMS/View采用用戶熟悉的Motif界面(UNIX系統(tǒng))和Windows界面(NT系統(tǒng)),從而大大提高了快速建模能力.在ADAMS/View中,用戶利用TABLEEDITOR,可像用EXCEL一樣方便地編輯模型數(shù)據(jù),同時還提供了PLOTBROWSER和FUNCTIONBUILDER工具包.DS(設(shè)計研究),DOE(實驗設(shè)計)及OPTIMIZE(優(yōu)化)功能可使用戶方便地進(jìn)行優(yōu)化工作.ADAMS/View有自己的高級編程語言,支持命令行輸入命令和C++語言,有豐富的宏命令以及快捷方便的圖標(biāo),菜單和對話框創(chuàng)建和修改工具包,而且具有在線幫助功能.ADAMS/View模塊界面如圖3-1所示.ADAMS/View新版采用了改進(jìn)的動畫/曲線圖窗口,能夠在同一窗口內(nèi)可以同步顯示模型的動畫和曲線圖;具有豐富的二維碰撞副,用戶可以對具有摩擦的二維點-曲線,圓-曲線,平面-曲線,以及曲線-曲線,實體-實體等碰撞副自動定義接觸力;具有實用的Parasolid輸入/輸出功能,可以輸入CAD中生成的Parasolid文件,也可以把單個構(gòu)件,或整個模型,或在某一指定的仿真時刻的模型輸出到一個Parasolid文件中;具有新型數(shù)據(jù)庫圖形顯示功能,能夠在同一圖形窗口內(nèi)顯示模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),選擇某一構(gòu)件或約束(運動副或力)后顯示與此項相關(guān)的全部數(shù)據(jù);具有快速繪圖功能,繪圖速度是原版本的20倍以上;采用合理的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)向器,可以在一次作業(yè)中利用一個名稱過濾器修改同一名稱中多個對象的屬性,便于修改某一個數(shù)據(jù)庫對象的名稱及其說明內(nèi)容;具有精確的幾何定位功能,可以在創(chuàng)建模型的過程中輸入對象的坐標(biāo),精確地控制對象的位置;多種平臺上采用統(tǒng)一的用戶界面,提供合理的軟件文檔;支持WindowsNT平臺的快速圖形加速卡,確保ADAMS/View的用戶可以利用高性能OpenGL圖形卡提高軟件的性能;命令行可以自動記錄各種操作命令,進(jìn)行自動檢查。由于pro/e不具備動力學(xué)仿真功能不能對車輪添加滾動摩擦力，本設(shè)計擬采用ADAMS/View模塊進(jìn)行無碳小車的動力學(xué)仿真。4.2ADAMS/View的安裝準(zhǔn)備工作（本人用的是2013版）：

1、下載Adams2013安裝包(是iso鏡像文件格式的)：

2、下載一個虛擬光驅(qū)軟件，樓主用的是DAEMONTools，請自行度娘。

二、Adams2013安裝教程：

1、用虛擬光驅(qū)DAEMONTools加載iso文件（用DAEMONTools軟件打開iso鏡像文件，雙擊此鏡像目錄即可）

2、單擊setup.exe開始安裝

3、一直單擊next，選擇安裝路徑時可以選擇安裝在任何一個磁盤，樓主是安裝在D:\MSC.Software\Adams\2013

4、更改完安裝路徑之后，一直next，軟件會安裝四五幾分鐘。

5、會出現(xiàn)licence的界面。注意??！這里不是安裝證書的，不用點擊browser瀏覽。而是需要您輸入27500@hostname注意hostname是您的計算機(jī)全名（如樓主的輸入的是27500@ALLEN-PC計算機(jī)名稱可右擊我的電腦屬性查看）

6、接下來一直next直到結(jié)束。

至此，只是安裝軟件結(jié)束，下面的工作是安裝證書。

7、復(fù)制虛擬光驅(qū)下的MAGNiTUDE文件夾到安裝軟件的目錄下。

8、進(jìn)入安裝目錄下的MAGNiTUDE文件，找到MSC_Calc_20130115.exe文件。以管理員的身份運行MSC_Calc_20130115.exe文件（一定要管理員，不然會失敗。）然后輸入Y。。最后會生成license.dat的文件，這就是你的證書。

9、同樣地進(jìn)入安裝目錄下的MAGNiTUDE文件，找到msc_licensing_11.9_windows3264.exe文件。。同樣以管理員的身份運行它。

10、next，。。遇到Specifythelicensefilepath時，點擊broswer瀏覽，選擇剛剛生成的license.dat文件。

11、一直next。。。出現(xiàn)一個提示successfully時表明證書安裝成功。

三、注意事項：

1、27500@hostname中的hostname替換為計算機(jī)全名，如27500@ALLEN-PC;

2、MAGNiTUDE中的兩個程序都要以管理員運行。

四、漢化過程：

ADAMS2013漢語界面（幫助文檔和提示仍然為英語僅僅是一個界面漢化）

僅僅適用于2013版本的以前版本無效

1、右擊我的電腦，選擇屬性

2、Vistawin7選擇高級系統(tǒng)設(shè)置。XP系統(tǒng)跳過這一步

3、選擇高級選項卡大家，打開環(huán)境變量。

4、在XXXX的用戶變量這個地方（XXX代表電腦賬戶名稱），也就是最上面的一行，選擇新建變量名是ADAMS_GUI_LOCALE，變量值是Chinese.注意：本人建議不要漢化，因為漢化之后有些功能就喪失了，（比如，小車前輪運動位移，速度，加速度隨著時間t的曲線圖就不能成功），漢化之后環(huán)境變量變了就不兼容了！甚至還會影響其他重要軟件的使用，我深有體會。望大家少走彎路，由于是英文界面，對于英語差的同學(xué)可以嘗試！4.3Pro/e與Adams的無縫對接仿真之前可以對跑道在proe中造型，將小車放在第一個樁前0.5m，小車與中線成放置。proe模型可以導(dǎo)入Adams，在proe中將模型保存副本，保存為Parasolid格式，可以實現(xiàn)模型對接。在Adams軟件中import.x_t文件，圖4.1importtoAdams打開Adams軟件，將小車零件設(shè)置成鋁制，將跑道設(shè)置成木質(zhì)圖4.2小車導(dǎo)入圖由于pro/e中的模型在導(dǎo)入到Adams中已定義的運動副與驅(qū)動會丟失，故需在Adams中重新定義運動副與接觸力。(3)接觸力定義利用動力學(xué)仿真軟件ADAMS可以較方便地求解剛性體的碰撞問題，但計算參數(shù)的選取對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響，成為人們應(yīng)用ADAMS準(zhǔn)確、快速解決碰撞問題的難點和重點，計算參數(shù)如果設(shè)置的不夠準(zhǔn)確，在進(jìn)行碰撞仿真時可能會出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，甚至?xí)褂嬎憬K止。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，人們只是對剛度、碰撞力指數(shù)及阻尼的定義進(jìn)行了一些分析研究，大量計算表明，僅僅注重這幾個參數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本文以ADAMS的碰撞力定義方法為依據(jù)，對碰撞參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行了比較全面的分析研究，通過具體碰撞仿真實例，得出了一些如何合理進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的結(jié)論。

①Adams碰撞力定義分析在Adams中有兩種定義碰撞力的方法:一種是補(bǔ)償法(Restitution);另一種是沖擊函數(shù)法(Impact)。相對而言，前者的參數(shù)更難準(zhǔn)確設(shè)置，所以更多是選用后者來計算碰撞力。沖擊函數(shù)法是根據(jù)impact函數(shù)來計算兩個構(gòu)件之問的碰撞力，碰撞力由兩個部分組成:一個是由于兩個構(gòu)件之問的相互切入而產(chǎn)生的彈性力;另一個是由于相對速度產(chǎn)生的阻尼力。impact函數(shù)的一般表達(dá)式為:（4.1）式中:q0為兩個要碰撞物體的初始距離;q為兩物體碰撞過程中的實際距離;dq/dt為兩個物體間距離隨時問的變化率，即速度;k為剛度系數(shù);e為碰撞指數(shù);為最大阻尼系數(shù);d為切入深度，它決定了何時阻尼力達(dá)到最大;為了防止碰撞過程中阻尼力的不連續(xù)，式中采用了step函數(shù)，其形式為 （4.2）式中：碰撞參數(shù)設(shè)置分析：a.剛度系數(shù)(Stiffness)。對旋轉(zhuǎn)物體的碰撞，其剛度系數(shù)可近似地根據(jù)式3.3來確定：（4.3）式中R1、R2分別為兩碰撞物體碰撞處的半徑（1/R=1/R1+1/R2）；（4.4）υ1、υ2分別是兩物體的泊松比，E1、E2分別是兩物體的彈性模量。

對于非旋轉(zhuǎn)體的碰撞，剛度系數(shù)可采用ADAMS

的官方推薦值，即默認(rèn)值進(jìn)行計算。

b.碰撞指數(shù)(Force

Exponent)。碰撞指數(shù)e反映了材料的非線性程度。其推薦值：金屬與金屬材料為1.5；橡膠材料為2。

c.最大阻尼系數(shù)(Damping)。最大阻尼系數(shù)maxc表征碰撞能量的損失。其值通常設(shè)為剛度系數(shù)的0.1～1％。

d.切入深度(Penetration

Depth)。切入深度表征最大阻尼時的侵入深度。剛碰撞時，沒有阻尼力，隨著侵入深度增大，阻尼力加大，直到最大阻尼力。其適合值為0.1mm。

②Adams摩擦力分析Adams接觸力中的摩擦是非線性摩擦模型，是動摩擦與靜摩擦之間按照兩接觸物體的相對滑移速度的相互轉(zhuǎn)換，圖4.3摩擦力關(guān)系圖圖中vs為靜摩擦轉(zhuǎn)變速度，Vd為動摩擦轉(zhuǎn)變速度，μs為最大靜摩擦系數(shù)，μd為動摩擦系數(shù)，vs<vd,μs>μd。當(dāng)相對滑移速度的絕對值由0逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)関s，物體所受的是靜摩擦，靜摩擦系數(shù)的絕對值由0逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣蘳；當(dāng)相對滑移速度的絕對值由vs逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)関d時，物體處于由靜摩擦向動摩擦的轉(zhuǎn)換過程中，摩擦系數(shù)的絕對值由μs逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣蘢,當(dāng)相對滑移速度的絕對值大于時vd,物體所受的是動摩擦，摩擦系數(shù)不變，為μd。對于大部分相對運動的構(gòu)件（如車輪和軌道），在實際中，兩者之間的摩擦在絕大多數(shù)情況下都是動摩擦，所以一定要保證動摩擦系數(shù)的準(zhǔn)確性（靜摩擦系數(shù)的準(zhǔn)確性相對來說就不是太重要了）。靜摩擦轉(zhuǎn)變速度和動摩擦轉(zhuǎn)變速度的單位為mm/s，數(shù)值一般都很小（相對于起重機(jī)大小車的運行速度），具體值的準(zhǔn)確性也不是太重要。通過以上分析可以使用contact函數(shù)來很好的模擬小車車輪與地面的接觸情況。本設(shè)計選用沖擊函數(shù)法(Impact)來定義碰撞，圖中Stiffness代表接觸剛度，F(xiàn)orceExponent代表碰撞指數(shù)，Damping代表最大阻尼系數(shù)，PenetrationDepth代表切入深度，staticcoefficient代表靜摩擦系數(shù)，Dynamiccoefficient代表動摩擦系數(shù)。定義好的接觸力如圖4.11，圖4.12所示（三個車輪與地面間接觸力相同）圖4.4車輪與地面間接觸力圖4.5偏心輪與推桿與前叉間接觸力(4)運動副添加①固定鏈接：將車架與四個軸承座布爾運算成為一個整體。另外，將車架與滑輪軸、前輪軸，剛性連接；將錐軸與兩偏心輪、大齒輪，剛性連接；將后輪軸與兩后輪、小齒輪，剛性連接；將載荷與車架剛性連接；由于此次仿真使用在錐軸上添加驅(qū)動力矩的方式模擬驅(qū)動力，所以將重塊與車架剛性連接。圖4.6剛性連接③移動副：Adams中移動副的建立與旋轉(zhuǎn)副相同，也有三種方法，這里不再贅述。在推桿與車架間添加移動副，位置選擇在推桿中心，方向為推桿中心線方向。圖4.7移動副添加④齒輪副：Adams中提供了齒輪副的建立方法，要求選擇兩個運動軸和一個等速點，由于Adams是一個坐標(biāo)控制的軟件，pro/e導(dǎo)入Adams中原有坐標(biāo)消失使得齒輪傳動的等速點建立比較困難。由于小車上的一對齒輪是直齒圓柱齒輪，只要已知兩齒輪傳動比，就可以使用關(guān)聯(lián)副將兩齒輪軸的轉(zhuǎn)動副關(guān)聯(lián)連接，將關(guān)聯(lián)參數(shù)設(shè)置為一正一負(fù)即可模擬齒輪間的傳動關(guān)系，因此這里使用關(guān)聯(lián)副代替齒輪副進(jìn)行連接。連接效果如圖。圖4.8關(guān)聯(lián)副添加定義(5)驅(qū)動力定義有與本設(shè)計的原動軸采用了錐軸，其啟動力矩是先減后勻速的，在Adams中可以使用step函數(shù)來定義這種情況從而可以比較真實的模擬啟動情況，在Adams中單擊來定義力矩（需確定力矩作用點和力矩）在力矩函數(shù)（functions）中輸入step(time,0,0.08,20,0.025)+step(time,250,0.025,260,0)可定義這一變換的力矩。圖4.9驅(qū)動力矩定義(6)基于Admas的小車仿真在仿真前需要添加重力以制造車輪與地面間的壓力。設(shè)置endtime50，step500，開始仿真。對仿真結(jié)果在PostProcessor模塊中進(jìn)行后續(xù)處理，并錄制視頻。圖4.10仿真定義表4.1添加運動副表無碳小車模塊名稱零件1零件2約束關(guān)系車身車架軸承座布爾運算成為整體（）400g載荷固定連接（）滑輪軸原動機(jī)構(gòu)滑輪軸滑輪轉(zhuǎn)動副（）車架重物固定連接傳動機(jī)構(gòu)小齒輪大齒輪耦合副（i=5）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)軸承座轉(zhuǎn)向錐軸轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)向錐軸兩偏心輪固定連接，成1800裝配轉(zhuǎn)向錐軸大齒輪固定連接偏心輪推桿定義接觸（）推桿前叉定義接觸行走機(jī)構(gòu)后輪軸軸承座轉(zhuǎn)動副后輪軸后輪固定連接前叉軸承座轉(zhuǎn)動副前叉前輪軸固定連接前輪軸前輪轉(zhuǎn)動副后輪地板定接觸（動摩擦系數(shù)0.26）前輪地板定接觸（動摩擦系數(shù)0.26）4.4小車仿真在定義完小車約束與驅(qū)動后設(shè)置仿真時間與仿真步數(shù)就可以對小車進(jìn)行仿真了本設(shè)計設(shè)置仿真時間為50s仿真步數(shù)500步單擊小車開始運行仿真。4.5小車仿真軌跡后處理根據(jù)設(shè)計要求主要是要得到小車的行走軌跡，在Adams中可以依次單擊“Review”-“GreatTracespline”可得到如圖4.11所示的小車質(zhì)心運動軌跡。由于該曲線在Adams中不能測量，需將該曲線導(dǎo)入到pro/e中進(jìn)行測量，導(dǎo)入pro/e中的圖如圖4.12所示。圖4.11小車軌跡圖（偏心輪推程54.7mm前叉最大轉(zhuǎn)角380）圖4.12小車軌跡測量圖像（偏心輪推程54.7mm前叉最大轉(zhuǎn)角380）圖4.12小車軌跡測量曲線（偏心輪推程54.7mm前叉最大轉(zhuǎn)角）。通過測量小車的軌跡曲線可知，小車的實際軌跡曲線與理論運動軌跡曲線差距較大，理論軌跡的振幅為250mm，而小車的實際的軌跡的振幅為326mm，理論上小車在半周期內(nèi)的行走距離為1000mm，而小車在半個周期內(nèi)的實際行走距離為841mm，當(dāng)前輪的最大轉(zhuǎn)角為時小車的實際軌跡的最大轉(zhuǎn)角為，故本設(shè)計剛開始的角度假設(shè)不成立（前文假設(shè)前叉轉(zhuǎn)角與車身轉(zhuǎn)角相同），通過比較理論軌跡與實際軌跡我們可以得到如表4.2所示的數(shù)據(jù)：表4.2：理論軌跡與實際軌跡對照表振幅半周期內(nèi)的行走距離車身最大轉(zhuǎn)角理論軌跡250mm1000mm380實際軌跡326mm841mm58.760通過對表4.1的分析可知在半周期內(nèi)的實際行走距離為841mm小于1000mm，振幅為326mm大于250mm，與理論軌跡相差較大，不能順利實行繞樁，必須重新設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過表4.2可以得出最大轉(zhuǎn)角與行走距離成反比，振幅與行走距離成反比，故要實現(xiàn)1000mm的行走距離必須減小偏心輪的行程以減小前叉的最大轉(zhuǎn)角，由于小車的行走距離對小車的繞樁性能有很大影響故通過表4.1可得式4.5（車身最大轉(zhuǎn)角與行走距離的關(guān)系式）：(4.5)式中x表示小車在實際行走過程中半周期內(nèi)行走距離為1000mm的時候所需的車身最大轉(zhuǎn)角，由式4.4得x等于450，則根據(jù)式4.6可得前叉轉(zhuǎn)角與車身轉(zhuǎn)角的關(guān)系。(4.6)式中y表示當(dāng)小車實際行駛軌跡的車身轉(zhuǎn)角為x是所需前叉的最大轉(zhuǎn)角，由式4.5得y為290，也就是說當(dāng)前叉的最大轉(zhuǎn)角大致為290時小車實際軌跡的車身最大轉(zhuǎn)角為450，通過上文分析此時小車在半周期內(nèi)的行走距離約為1000mm，當(dāng)然這個參數(shù)還需近一步在Adams中驗證。根據(jù)前文所述的偏心輪的設(shè)計方法重新設(shè)計了偏心輪，經(jīng)過仿真之后發(fā)現(xiàn)其實際軌跡的行走距離仍然小于1000mm故需進(jìn)一步減小前叉的最大轉(zhuǎn)角，通過多次仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前叉的最大轉(zhuǎn)角為270時小車的實際軌跡曲線的行走距離約為1000mm，振幅約為246mm（圖4.13）與理論軌跡相吻合，符合比賽要求。圖4.15表示前叉最大轉(zhuǎn)角為27°時的小車行走軌跡圖其中中間曲線為小車質(zhì)心的運動軌跡，兩邊的曲線為小車內(nèi)外輪之間運動軌跡，由圖可以看出當(dāng)前叉最大轉(zhuǎn)角為27°時小車可順利實現(xiàn)繞樁，符合比賽要求。故最后決定設(shè)計小車前叉最大轉(zhuǎn)角為270，此時偏心輪的基圓半徑r0=5mm推程H=35.66mm、偏心距e=17.83mm、外輪廓直徑d=45.66mm,此即為偏心輪的最終設(shè)計。圖4.13pro/e曲線測量圖（前叉最大轉(zhuǎn)角27°）圖4.14小車軌跡曲線（最大轉(zhuǎn)角270）將仿真結(jié)果導(dǎo)入PostProcessor模塊中進(jìn)行進(jìn)一步分析，導(dǎo)入后的圖像如下圖4.15仿真路線圖4.16t-s曲線（前輪、兩后輪）由圖4.16可以看出，行駛軌跡已基本符合比賽要求，沒有與圓柱發(fā)生干涉且軌跡平緩均勻。，在Adams中后處理模塊中測量位移時間圖像結(jié)果如圖4.3。分析4.13圖線，半周期距離約為1000mm，振幅約為250mm，符合設(shè)計要求與比賽要求。將仿真結(jié)果導(dǎo)入后處理模塊中進(jìn)行速度簡單的分析，可以得到小車前輪和兩后輪速度曲線如圖4圖4.17前輪、兩后輪的速度時間曲線圖像（實線是前輪，紅藍(lán)虛線是后輪）由上圖分析可得，剛開始時速度不大穩(wěn)定，經(jīng)過三個周期后，速度呈周期性并穩(wěn)定變化。綜合可知，由圖中可知小車的速度是周期性變化當(dāng)小車前叉轉(zhuǎn)角為零時速度最大如下圖A當(dāng)小車前叉轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)到最大時速度變到最小，此時小車的車車身轉(zhuǎn)角最小如圖B通過分析，從速度角度的考慮，小車應(yīng)選在前叉角最小為零度時，最好最容易啟動。圖4.18小車速度最快狀態(tài)示意圖（前叉轉(zhuǎn)角最小為零時）圖4.18小車速度最慢狀態(tài)示意圖（前叉轉(zhuǎn)角最大時）結(jié)論本次設(shè)計通過Pro/E和Adams的綜合應(yīng)用實現(xiàn)了以下幾點成果：1）實現(xiàn)了利用Pro/E對行駛S型路徑的無碳小車的建模。2）實現(xiàn)了利用Adams對無碳小車進(jìn)行S型路線行駛的仿真，以及標(biāo)記行駛路線軌跡。3）完成了對S型路徑的無碳小車的路徑優(yōu)化分析。本次設(shè)計的主要工作有如下幾點：1）本設(shè)計深入研究了Adams的建模，添加約束和驅(qū)動力，運動仿真以及路徑優(yōu)化分析等功能應(yīng)用。并且初次嘗試了復(fù)雜的機(jī)構(gòu)在Adams中的仿真，優(yōu)化分析操作，為無碳小車的設(shè)計改進(jìn)工作開拓了研究方向，總結(jié)了改進(jìn)研究的方法。2）本次設(shè)計解決了Pro/E和Adams的連接問題后，利用了前者的建模優(yōu)點和后者的強(qiáng)大的仿真，優(yōu)化分析的功能，完成了對無碳小車的仿真與路徑優(yōu)化分析的設(shè)計。將Pro/E和Adams的結(jié)合應(yīng)用來解決無碳小車的路徑優(yōu)化問題，在未來的無碳小車的研究和改善中是有著非常大的可行性和技術(shù)優(yōu)勢。本設(shè)計在一些Pro/E和Adams之間的問題上雖然找到了解決方法，但是方法比較復(fù)雜笨拙，有待于進(jìn)一步的改進(jìn)。由于小車行駛路面條件不確定，車體自身狀況有偏差，真實行駛過程不可能與仿真結(jié)果完全一致，這就有可能導(dǎo)致行駛軌跡出現(xiàn)偏差，所以最好給小車添加微調(diào)機(jī)構(gòu)，能夠隨時在小范圍內(nèi)調(diào)整前輪最大偏角，以適應(yīng)不同的外界條件。

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